JP2019128178A - 赤外線センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 基板の配線の温度変化による感度や精度の低下を抑制することができる赤外線センサを提供すること。【解決手段】 基板２と、基板の上面に設けられ感熱素子３Ａ，３Ｂを有するセンサ本体４と、記基板上に設置されセンサ本体の上方に開口部を有してセンサ本体の周囲を覆う筒状の導光路部材５とを備え、センサ本体が、その下部に感熱素子に電気的に接続された複数の下部実装用端子４ａを備え、基板が、上面にパターン形成され下部実装用端子が接続された複数の上面配線２ａと、下面にパターン形成された複数の下面配線２ｂと、上下に貫通していると共に対応する上面配線と下面配線とを接続する複数のビアホール２ｃとを有し、ビアホールが、下部実装用端子の近傍に設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象物からの赤外線を検出して該測定対象物の温度を測定する赤外線センサに関する。

一般に、複写機やプリンタ等の画像形成装置に使用されている定着ローラ等の測定対象物の温度を測定するために、測定対象物に対向配置させ、その輻射熱を受けて温度を測定する赤外線センサが設置されている。

例えば、特許文献１及び２には、基板と、基板の上面に設けられた感熱部であるセンサ本体と、センサ本体の上方に開口部を有してセンサ本体の周囲を覆う筒状の導光路部材とを備えた赤外線センサが記載されている。
これらの赤外線センサでは、基板の上面に形成された配線とセンサ本体の実装用端子とを接続している。

特開２０１７−１８１０３１号公報 特開２０１７−４９２６８号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
従来の赤外線センサでは、基板の上面に配線があるため、赤外線により熱せられた導光路部材からの影響や、測定対象物の輻射熱による温度変化などにより、使用環境によっては、基板上面の配線の温度が変化してセンサ本体にも影響を与え、センサ本体の感度や精度が低下する場合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、基板の配線の温度変化による感度や精度の低下を抑制することができる赤外線センサを提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係る赤外線センサは、基板と、前記基板の上面に設けられ感熱素子を有するセンサ本体と、前記基板上に設置され前記センサ本体の上方に開口部を有して前記センサ本体の周囲を覆う筒状の導光路部材とを備え、前記センサ本体が、その下部に前記感熱素子に電気的に接続された複数の下部実装用端子を備え、前記基板が、上面にパターン形成され前記下部実装用端子が接続された複数の上面配線と、下面にパターン形成された複数の下面配線と、上下に貫通していると共に対応する前記上面配線と前記下面配線とを接続する複数のビアホールとを有し、前記ビアホールが、前記下部実装用端子の近傍に設けられていることを特徴とする。

この赤外線センサでは、基板が、上面にパターン形成されセンサ本体の下部実装用端子が接続された複数の上面配線と、下面にパターン形成された複数の下面配線と、上下に貫通していると共に対応する上面配線と下面配線とを接続する複数のビアホールとを有し、ビアホールが、下部実装用端子の近傍に設けられているので、基板の上面配線を極力少なくでき、基板下面の下面配線によって主に配線することができる。したがって、上面配線が、加熱された導光路部材からの影響や、測定対象物の輻射熱の影響を受け難くなり、これらの影響を低減することができ、センサ本体の高い感度や精度を得ることができる。また、基板の下面側は、上面側に比べて放熱効果が大きく、ビアホール及び下面配線によって上面側の熱を下面側に放熱することができる。

第２の発明に係る赤外線センサは、第１の発明において、前記上面配線及び前記ビアホールが、前記センサ本体の直下に形成されていることを特徴とする。
すなわち、この赤外線センサでは、上面配線及びビアホールが、センサ本体の直下に形成されているので、上面配線及びビアホールがセンサ本体下に隠れることで、加熱された導光路部材からの影響や、測定対象物の輻射熱の影響をより受け難くなる。

第３の発明に係る赤外線センサは、第２の発明において、複数の前記ビアホールが、平面視で前記導光路部材の中心部分に設けられていることを特徴とする。
すなわち、この赤外線センサでは、複数のビアホールが、平面視で導光路部材の中心部分に設けられているので、ビアホールが導光路部材から遠くなり、加熱された導光路部材からの影響をさらに受け難くなる。

第４の発明に係る赤外線センサは、第１から第３の発明のいずれかにおいて、複数の前記上面配線の総面積が、複数の前記下面配線の総面積よりも小さいことを特徴とする。
すなわち、この赤外線センサでは、複数の上面配線の総面積が、複数の下面配線の総面積よりも小さいので、相対的に、上面配線による放熱性が低くなると共に下面配線による放熱性が高くなる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る赤外線センサによれば、基板が、センサ本体の下部実装用端子が接続された複数の上面配線と、複数の下面配線と、上面配線と下面配線とを接続する複数のビアホールとを有し、ビアホールが、下部実装用端子の近傍に設けられているので、上面配線が、加熱された導光路部材からの影響や、測定対象物の輻射熱の影響を受け難くなる。
したがって、本発明の赤外線センサでは、上面配線の温度変化による影響をセンサ本体が受け難く、センサ本体の高い感度や精度を得ることができる。

本発明に係る赤外線センサの第１実施形態を示す平面図（ａ）及び底面図（ｂ）である。 図１のＡ−Ａ線矢視断面図である。 第１実施形態において、センサ本体を示す平面図（ａ）及びＢ−Ｂ線断面図（ｂ）である。 第１実施形態において、センサ実装部材を示す平面図である。 第１実施形態において、センサ実装部材を示す側面図である。 第１実施形態において、センサ部を示す裏面図である。 本発明に係る赤外線センサの第２実施形態を示す平面図（ａ）及び底面図（ｂ）である。

以下、本発明に係る赤外線センサの第１実施形態を、図１から図６を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために縮尺を適宜変更している。

本実施形態の赤外線センサ１は、図１及び図２に示すように、基板２と、基板２の上面に設けられ感熱素子３Ａ，３Ｂを有するセンサ本体４と、基板２上に設置されセンサ本体４の上方に開口部を有してセンサ本体４の周囲を覆う筒状の導光路部材５とを備えている。
上記センサ本体４は、その下部に感熱素子３Ａ，３Ｂに電気的に接続された複数の下部実装用端子４ａを備えている。なお、本実施形態では、一対の感熱素子３Ａ，３Ｂに対応して二対の下部実装用端子４ａがセンサ本体４に設けられている。

上記基板２は、例えば両面プリント基板（ＰＣＢ）であり、長方形状に形成されている。
この基板２は、上面にパターン形成され下部実装用端子４ａが接続された複数の上面配線２ａと、下面にパターン形成された複数の下面配線２ｂと、上下に貫通していると共に対応する上面配線２ａと下面配線２ｂとを接続する複数のビアホール２ｃとを有している。なお、本実施形態では、二対の下部実装用端子４ａに対応して二対の上面配線２ａと二対の下面配線２ｂと二対のビアホール２ｃとが基板２に設けられている。

上記上面配線２ａ及び下面配線２ｂは、銅箔等でパターン形成されている。
なお、複数の上面配線２ａの総面積は、複数の下面配線２ｂの総面積よりも小さく設定されている。
上記ビアホール２ｃは、下部実装用端子４ａの近傍に設けられている。
すなわち、ビアホール２ｃは、下部実装用端子４ａの近傍であって導光路部材５の外側近傍に配されている。
これらビアホール２ｃは、例えばＣｕペーストを貫通孔内に充填して形成されている。

また、基板２は、導光路部材５用の複数の取り付け孔２ｄを有している。本実施形態では、一対の取り付け孔２ｄが基板２に形成されている。
上記導光路部材５は、取り付け孔２ｄに貫通状態に嵌め込まれた複数の固定用爪部５ａを下部に有している。
なお、導光路部材５は、角筒状であり、例えば樹脂や金属板で形成されている。

さらに、基板２は、一端部の上下面に形成された複数の電極パッド部２ｅと、これら電極パッド部２ｅ内で上下に貫通して形成され上下面の電極パッド部２ｅを接続するビアホールである上下接続部２ｆとを有している。
下面に形成された電極パッド部２ｅには、それぞれ対応する下面配線２ｂが接続されている。なお、各下面配線２ｂは、それぞれ全長が同様の長さとなるように一部を屈曲させて延在させている。

上記センサ本体４は、図３に示すように、センサ実装部材１１２と、センサ実装部材１１２上に設置されたセンサ部１１３とを備えている。
上記センサ部１１３は、図３及び図６に示すように、絶縁性基板１０２と、絶縁性基板１０２に設けられた一対の感熱素子３Ａ，３Ｂと、絶縁性基板１０２に形成され感熱素子３Ａ，３Ｂと接続された二対の上部パターン配線１２１Ａ，１２１Ｂとを備えている。

上記絶縁性基板１０２は、二対の上部パターン配線１２１Ａ，１２１Ｂの端部に形成された二対の端子電極１０４を有している。
上記センサ実装部材１１２は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の樹脂で形成された絶縁性の実装部材本体１０６と、実装部材本体１０６に設けられ上部パターン配線１２１Ａ，１２１Ｂに接続されている二対の接続部材１０７とを備えている。
上記接続部材１０７の下部は、下部実装用端子４ａとなっている。

上記実装部材本体１０６は、図３及び図４に示すように、四角形状又は略四角形状に形成されている。
上記接続部材１０７は、実装部材本体１０６から上方に突出して設けられ、センサ部１１３は、実装部材本体１０６との間に隙間を空けた状態で接続部材１０７の上端部に固定されている。
接続部材１０７は、実装部材本体１０６に取り付けられ上端部が端子電極１０４にはんだ付け等で接続されると共に下端部が下部実装用端子４ａとして上面配線２ａにはんだ付け等で接続されている。

上記接続部材１０７は、図３に示すように、実装部材本体１０６より熱伝導性の高い金属等の導電性材料で形成されていると共に、側方に突出した端子ピン部１０７ａを有している。
上記実装部材本体１０６は、側部に形成され端子ピン部１０７ａが差し込み固定される接続部材用穴部１０６ａと、上部に形成され感熱素子３Ａ，３Ｂの直下に配されると共に接続部材用穴部１０６ａに連通している素子収納用穴部１０８とを有している。
すなわち、長く突出した端子ピン部１０７ａは、長孔形状の接続部材用穴部１０６ａに差し込まれて嵌め込まれることで固定される。

なお、上記端子ピン部１０７ａの先端部は、素子収納用穴部１０８内に突出している。
また、上記素子収納用穴部１０８は、第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂを収納可能に実装部材本体１０６の上下に貫通している。
また、図４及び図５に示すように、実装部材本体１０６は、素子収納用穴部１０８を除いた他の部分より薄く形成された薄肉部１０６ｂを有している。この薄肉部１０６ｂは、実装部材本体１０６の中央部に平面視矩形状に設けられた穴部である。

本実施形態では、実装部材本体１０６が平面視略正方形状に形成された薄板状のブロック形状であり、４つの接続部材１０７が４つの角部の近傍に設置され、対向する両側にそれぞれ２つずつ接続部材１０７が配されている。すなわち、実装部材本体１０６の両側にそれぞれセンサ部１１３を支持する部分が２つずつ互いに間隔を空けて設けられ、４箇所でセンサ部１１３が支持、固定される。

なお、センサ部１１３は、実装部材本体１０６との間に平行な隙間を設けて支持されている。すなわち、上述したように、接続部材１０７は、その上部が実装部材本体１０６の上面から一定量だけ突出しており、上端部にはんだ付け等で接続されたセンサ部１１３を実装部材本体１０６から浮かせた状態で支持している。

接続部材１０７は、端子ピン部１０７ａの下に該端子ピン部１０７ａの突出方向と逆に延在した端子スリット部１０７ｃを有し、実装部材本体１０６は、端子スリット部１０７ｃに差し込まれる端子用差し込み部１０６ｃを有している。
上記端子スリット部１０７ｃは、端子用差し込み部１０６ｃが差し込み可能に横方向に切り込まれて形成されている。
なお、上記接続部材１０７は、金属板から型抜き加工、エッチング加工又はレーザ加工によって形成された板状の部材である。

上記センサ部１１３は、図６に示すように、絶縁性基板１０２の一方の面（下面）に互いに離間させて設けられた一対の感熱素子３Ａ，３Ｂと、絶縁性基板１０２の一方の面に形成された上部パターン配線１２１Ａ，１２１Ｂと、第２の感熱素子３Ｂに対向して絶縁性基板１０２の他方の面に設けられた赤外線反射膜１２２とを備えている。
一対の第１の上部パターン配線１２１Ａは、感熱素子３Ａに接続された導電性金属膜であり、一対の第２の上部パターン配線１２１Ｂは、感熱素子３Ｂに接続された導電性金属膜である。

また、第１の上部パターン配線１２１Ａ及び第２の上部パターン配線１２１Ｂには、その一端部にそれぞれ絶縁性基板１０２に形成された一対の接着電極１２３が接続されていると共に、他端部にそれぞれ絶縁性基板１０２に形成された端子電極１０４が接続されている。
なお、上記接着電極１２３には、それぞれ対応する第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂの端子部が半田等の導電性接着剤で接着される。

上記絶縁性基板１０２は、ポリイミド樹脂シート等の絶縁性フィルムで形成され、赤外線反射膜１２２、第１の上部パターン配線１２１Ａ及び第２の上部パターン配線１２１Ｂが銅箔で形成されている。すなわち、これらは絶縁性基板１０２とされるポリイミド基板の両面に、赤外線反射膜１２２、第１の上部パターン配線１２１Ａ及び第２の上部パターン配線１２１Ｂとされる銅箔の電極がパターン形成された両面フレキシブル基板によって作製されたものである。

上記赤外線反射膜１２２は、第２の感熱素子３Ｂの直上に略四角形状で配されている。
この赤外線反射膜１２２は、絶縁性基板１０２よりも高い赤外線反射率を有する材料で形成され、銅箔上に金メッキ膜が施されて形成されている。なお、金メッキ膜の他に、例えば鏡面のアルミニウム蒸着膜やアルミニウム箔等で形成しても構わない。この赤外線反射膜１２２は、第２の感熱素子３Ｂよりも大きなサイズでこれを覆うように形成されている。
なお、図３（ａ）において赤外線反射膜１２２には、ハッチングを施している。

上記第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂは、両端部に端子部が形成されたチップサーミスタである。このサーミスタとしては、ＮＴＣ型、ＰＴＣ型、ＣＴＲ型等のサーミスタがあるが、本実施形態では、第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂとして、例えばＮＴＣ型サーミスタを採用している。このサーミスタは、Ｍｎ−Ｃｏ−Ｃｕ系材料、Ｍｎ−Ｃｏ−Ｆｅ系材料等のサーミスタ材料で形成されている。なお、第１の感熱素子３Ａは、検出用の感熱素子であり、赤外線反射膜１２２下の第２の感熱素子３Ｂは、補償用の感熱素子である。

このように本実施形態の赤外線センサ１では、基板２が、上面にパターン形成されセンサ本体４の下部実装用端子４ａが接続された複数の上面配線２ａと、下面にパターン形成された複数の下面配線２ｂと、上下に貫通していると共に対応する上面配線２ａと下面配線２ｂとを接続する複数のビアホール２ｃとを有し、ビアホール２ｃが、下部実装用端子４ａの近傍に設けられているので、基板２の上面配線２ａを極力少なくでき、基板２下面の下面配線２ｂによって主に配線することができる。

したがって、上面配線２ａが、加熱された導光路部材５からの影響や、測定対象物の輻射熱の影響を受け難くなり、これらの影響を低減することができ、センサ本体４の高い感度や精度を得ることができる。また、基板２の下面側は、上面側に比べて放熱効果が大きく、ビアホール２ｃ及び下面配線２ｂによって上面側の熱を下面側に放熱することができる。
また、複数の上面配線２ａの総面積が、複数の下面配線２ｂの総面積よりも小さいので、相対的に、上面配線２ａによる放熱性が低くなると共に下面配線２ｂによる放熱性が高くなる。

次に、本発明に係る赤外線センサの第２実施形態について、図７を参照して以下に説明する。なお、以下の実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、ビアホール２ｃが、導光路部材５の外側に配されており上面配線２ａも導光路部材５の外側まで延在しているのに対し、第２実施形態の赤外線センサ２１では、図７に示すように、上面配線２ａ及びビアホール２ｃが、センサ本体４の直下に形成されている点である。
すなわち、第２実施形態では、上面配線２ａ及びビアホール２ｃが導光路部材５の内側であってセンサ本体４下に設けられている。

特に、複数のビアホール２ｃは、平面視で導光路部材５の中心部分に集められて設けられている。
このように第２実施形態の赤外線センサ２１では、上面配線２ａ及びビアホール２ｃが、センサ本体４の直下に形成されているので、上面配線２ａ及びビアホール２ｃがセンサ本体４下に隠れることで、加熱された導光路部材５からの影響や、測定対象物の輻射熱の影響をより受け難くなる。
また、複数のビアホール２ｃが、平面視で導光路部材５の中心部分に設けられているので、ビアホール２ｃが導光路部材５から遠くなり、加熱された導光路部材５からの影響をさらに受け難くなる。

なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記各実施形態では、２つの感熱素子を有するセンサ本体を採用しているが、１つの感熱素子を有するセンサ本体を採用しても構わない。
また、チップサーミスタの感熱素子を採用しているが、薄膜サーミスタで形成された感熱素子を採用しても構わない。
なお、感熱素子としては、上述したように薄膜サーミスタやチップサーミスタが用いられるが、サーミスタ以外に焦電素子等も採用可能である。
また、上記各実施形態では、センサ本体が、センサ実装部材と、センサ実装部材上に設置されたセンサ部とを備えているが、センサ部のみのセンサ本体としても構わない。この場合、基板上に直接、絶縁性フィルムの絶縁性基板が設置される。

１，２１…赤外線センサ、２…基板、２ａ…上面配線、２ｂ…下面配線、２ｃ…ビアホール、３Ａ，３Ｂ…感熱素子、４…センサ本体、４ａ…下部実装用端子、５…導光路部材

Claims (4)

1. 基板と、
   前記基板の上面に設けられ感熱素子を有するセンサ本体と、
   前記基板上に設置され前記センサ本体の上方に開口部を有して前記センサ本体の周囲を覆う筒状の導光路部材とを備え、
   前記センサ本体が、その下部に前記感熱素子に電気的に接続された複数の下部実装用端子を備え、
   前記基板が、上面にパターン形成され前記下部実装用端子が接続された複数の上面配線と、
   下面にパターン形成された複数の下面配線と、
   上下に貫通していると共に対応する前記上面配線と前記下面配線とを接続する複数のビアホールとを有し、
   前記ビアホールが、前記下部実装用端子の近傍に設けられていることを特徴とする赤外線センサ。
2. 請求項１に記載の赤外線センサにおいて、
   前記上面配線及び前記ビアホールが、前記センサ本体の直下に形成されていることを特徴とする赤外線センサ。
3. 請求項２に記載の赤外線センサにおいて、
   複数の前記ビアホールが、平面視で前記導光路部材の中心部分に設けられていることを特徴とする赤外線センサ。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の赤外線センサにおいて、
   複数の前記上面配線の総面積が、複数の前記下面配線の総面積よりも小さいことを特徴とする赤外線センサ。

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